机械原理教案20100113.doc

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吴海涛机械原理讲义1机械原理西北工业大学孙恒主编讲稿第一章第一章绪论绪论11-11本课程研究的对象和内容本课程研究的对象和内容机构机械机构综合运动分析机械动力学机器11构件-运动单元（从运动角度来说不可再分割的部分）以内燃机为例：

活塞-活塞体-活塞环-滑环从运动角度讲：

它是一个部件，将推力转化为整个元件的往复移动。

同理可得：

连杆-曲柄，机架等构件。

机构的定义：

第一章绪论22机构定义

（1）

（1）多个构件的人为组合

（2）

（2）各构件间有确定的相对运动33机器除机构定义的二个特征外，另外能进行能量的转换。

44本课程研究的主要内容各种常用机构及综合，机构的工作原理，运动分析，参数计算以及有关机器动力学的一些基本知识。

11-22学习的目的学习的目的本课程作为一门机械系的重点技术基础课，研究机械的运动、工作性能，以及机械动力学方面的基本理论。

通过本课程的学习，为学习机械设计、机床、机械制造工艺及其它专业课程打下基础。

本课程是上连基础课，下接专业课的一门重点课程。

第二章第二章平面机构的结构分析平面机构的结构分析平面机构：

机构的各主要运动构件在同一剖面内（同一平面内），或在几个相互平行的平面内运动。

本章的重点：

（1）了解机构的基本组成及自由度计算

（2）机构具有确定运动的条件（3）掌握机构运动简图的画法吴海涛机械原理讲义22-2运动副及其分类运动副及其分类1运动副定义：

两构件直接接触并能保证一定运动关系的联结。

三要素：

两构件直接接触判别运动副的前提。

可动联结2运动副元素：

构件上能够直接参加接触以构成运动副的部分。

就几何形状来说，不外乎点、线、面三种形式。

3分类*低副-以副元素为面接触，引入二个约束移动副-相对运动为移动。

转动副-相对运动为转动。

固定铰活动铰*高副-以点或线接触，引入一个约束。

引入约束情况：

平面构件有三个自由度，即：

二移一转运动副约束了保留属于约束数1移1转1移高副11转1移1移移动副22移1转回转副22转1移0刚性结构31转2移不存在思考：

为什么不存在最下一行这种情况？

4结论：

*平面构件组成运动副只有三种形式（高、移、转）*将引入一个约束的称为一级副（级），依此类推，引入二个约束的为级。

5运动副规定画法（表2-1）6运动链定义：

通过运动副联结面构成的相对可动的系统称为。

开链：

运动链的构件未形成首末封闭的系统（多用在机械手）。

闭链：

各构件构成了首末封闭的系统（经常采用）2-3机构运动简图机构运动简图11定义-说明机构各构件的相对运动关系的简单图形，且以规定线条和符号严格按比例绘制（不按比例画出为示意图）22构件分类：

原动件、从动件、机架33绘制简图的一般步骤：

1）分清运动状况，认清哪些是固定件、原动件2）从原动件开始，按运动传递的顺序，仔细分析各构件之间的相对运动性质，确定构件的数目、运动种类和数目。

3）选择适当的比例尺，定出各运动副的相对位置，用规定的符号和线条连结各运动副。

如：

例2-1（图2-8）注意：

选视图正确，可用局部视图补充，原动件位置选得正确以求图形清晰。

2-4机构具有确定运动的条件机构具有确定运动的条件条件：

机构的原动件数=机构的运动自由度数吴海涛机械原理讲义32-5平面机构的自由度计算平面机构的自由度计算自由度计算：

F=活动构件所可能具有的总自由度运动副所引入的约束数即：

F=3n2PL-PH例1铰链四杆机构F=33-240=1例2铰链五杆机构F=34-250=2例3仪表示值机构F=36-281=1例4计算多杆的自由度解：

n=10,PL=14,PH=0F=3n2PL-PH=310214=2例5计算轮系的自由度解：

n=4,PL=4,PH=2吴海涛机械原理讲义4F=3n2PL-PH=3424-2=2例6F=0，应改进结构讨论：

#平面机构的自由度F取决于构件的数目、以及运动副的种类和数目。

#要使机构能运动，F0#F=0,刚性静定结构#F,F，0,滑块下滑的阻抗力；当,F，0，由上式可知1，且wf（或Nf）越大，越低。

为了使机械具有较高的机械效率，应尽量减少机械中的损耗功，而机械中的损耗主要是摩擦损耗，因此在设计机械时应尽量简化机械传动系统，减少运动副的数目和设法减少运动副中的摩擦机械损失系数（损失率）dfdfNNWW/=（53）二机械效率以力或力矩的形式表达机械效率还可以用力或力矩的比值形式来表达。

图5-1所示为一机械传动示意图，设F为实际驱动力，G为相应的实际生产阻力；vF和vG分别为F和G的作用点沿该力作用线方向的速度，根据式（52）可得FGdrFvGvNN=（a）如设该机械系统不存在摩擦力（称为理想机械），因而Nf=0，其效率0必等于1。

对于理想机械，为了克服同样生产阻力G所需的驱动力称为理想驱动力F0，它必定小于实际驱动力F。

由理想机械的定义可得10=FGvFGvFGvFGv0=（b）将式（b）代入式（a）得FFFvvFFvGvFFFG00=（c）此式说明，机械效率也等于在克服同样生产阻力G的情况下，理想驱动力F0与实际驱动力F的比值。

同理，如设M和M0各为实际的和理想的驱动力矩，可得：

吴海涛机械原理讲义30MM0=（d）所以：

实际驱动力矩理想驱动力矩实际驱动力理想驱动力=（54）举例举例：

斜面机构正行程：

tan0GF=）tan（+=GF）tan（/tan/0+=FF反行程：

（此时G为驱动力）tancFG=0）tan（cFG=tan）tan（）tan（ctancGG=0螺旋机构同理：

拧紧时：

）tan（/tan/0vMM+=拧松时：

tan/）tan（v=机械效率的确定计算方法实验方法常用机构的机械效率见表常用机构的机械效率见表5-1三三、机、机器器机机组组效效率率的的确定确定串联（只要其中任一个环节的效率很低，整个机组的效率就很低）如图5-2所示kkkddrPPPPPPPPPP321123121=并联输入总功率：

kdPPPPP+=321输出总功率：

+=krPPPPP321吴海涛机械原理讲义31kkkdiriPPPPPPPP+=212211此式表明：

并联机组的总效率不仅与各机器的效率有关，还与各机器传递功率的大小有关。

混联计算方法：

先弄清输入功至输出功的路线分别计算各支路效率按串联、并联混合计算总效率5-2机械自锁机械自锁1机械自锁的概念：

2研究自锁的意义：

为使机械实现预期运动，应避免自锁有些机械利用自锁3利用自锁的例子：

手摇螺旋千斤顶机床工作台升降、进给机构4自锁条件：

移动副-作用力作用在摩擦角内，即：

F-驱动力，Ft-有效分力tansinntFFF=摩擦力：

tanmaxnfFF=当，总有maxftFF即：

当，不管F如何增大，Ft总小于Ffmax转动副-驱动力F作用在摩擦圆之内，即：

aF-外载荷，当F作用线在摩擦圆之内（即a阻抗功，“+”,盈功eredMM,驱动功Mer，甚至会出现“飞车”现象；MedMer，机械又会越转越慢，最后将停止不动。

为了避免以上两种情况的发生，必须对这种非周期性的速度波动进行调节，以使机械重新恢复稳定运转。

为此就需要设法使等效驱动力矩与等效工作阻力矩恢复平衡关系。

关于机械非周期性速度波动的调节，对于选用电动机作为原动机的机械，其本身就可使等效驱动力矩和等效工作阻力矩协调一致。

如图72所示，当电动机的转速由于MedMer,导致电动机转速上升时，其所产生的驱动力矩将减小，所以可使Med与Mer自动地重新达到平衡。

电动机的这种性能称为自调性。

但是，若机械的原动机为蒸汽机、汽轮机或内燃机等，就必须安装一种专门的调节装置-调速器，来调节机械出现的非周期性速度波动。

调速器的种类很多，按执行机构分类：

主要有机械式、气动式的、机械气动式的、液压式的、电液和电子等型式的。

图712所示为燃气涡轮发动机中采用的离心式调速器的工作原理图。

吴海涛机械原理讲义47第八章第八章平面连杆机构及其设计平面连杆机构及其设计8-1连杆机构及其传动特点连杆机构及其传动特点连杆机构是一种应用十分广泛的机构，它不仅在众多工农业机械和工程机械中得到广泛应用，而且诸如人造卫星太阳能板的展开机构、机械手的传动机构、折叠伞的收放机构以及人体假肢等，也都用到连杆机构。

图81，a所示的铰链四杆机构，图b所示的曲柄滑块机构,图c所示的导杆机构是最常见的连杆机构型式。

它们的共同特点是：

其原动件的运动都要经过一个不直接与机架相联的中间构件2才能传动从动件3。

该构件称为连杆。

把具有连杆的机构统称为连杆机构。

一、连杆机构传动特点：

1）运动副一般均为低副，低副两运动副元素为面接触，压强较小，故可承受较大的载荷；且有利于润滑，磨损较小；此外，运动副元素的几何形状较简单，便于加工制造。

2）当原动件的运动规律不变，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。

3）连杆上各点的轨迹是各种不同形状的连杆曲线，其形状还随着各构件相对长度的改变而改变，从而可以得到形式众多的连杆曲线，可以利用这些曲线来满足不同轨迹的设计要求。

4）连杆机构运动须经中间构件传递，运动链长，较大累积误差，机械效率低。

5）构件的惯性力难于用一般平衡方法加以消除，增加动载荷，连杆机构不宜用于高速运动。

二、两类应用实现对应位置实现一定的轨迹曲线（图8-36，378822平面四杆机构的类型和应用平面四杆机构的类型和应用1平面四杆机构的基本型式图83为铰链四杆机构，它是平面四杆机构的基本型式，其他型式的四杆机构均可认为是它的演化型式。

吴海涛机械原理讲义48AD-机架BC为连杆（不与机架相连的构件）AB、CD-与机架相连的构件称为连架杆AB曲柄（能作3600回转）CD摇杆（在一定范围内摆动）基本型式分类：

1）1）曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构-铰链四杆机构的两个连架杆，若其一为曲柄，另一为摇杆。

图84所示的雷达天线俯仰机构若以摇杆为原动件时，可将摇杆的摆动转变为曲柄的整周转动，此种机构在农用、民用，以人力为动力的机械中应用较多，如图85所示的缝纫机踏板机构。

2）双曲柄机构双曲柄机构-若铰链四杆机构中的两个连架杆均为曲柄，则称其为。

正平行四边形机构双曲柄机构反平行四边形机构在双曲柄机构中，若相对两杆平行且长度相等则称其为平行四边形机构（图86）。

它有两个显著特性：

a.两曲柄以相同速度同向转动；b.连杆作平动。

如图87所示的机车车轮的联动机构就利用了其第个特性；而图88，a所示的摄影平台升降机构和图b所示的播种机料斗机构则是利用了其第二个特性。

吴海涛机械原理讲义49双曲柄机构中两相对杆的长度分别相等，但不平行则称为反平行四四边形机构。

图810车门开闭机构。

3）3）双摇杆机构若铰链四杆机构的两个连架杆都是摇杆，则称其为双摇杆机构。

图811所示的铸造用大型造型机的翻箱机构，就应用了双摇杆机构。

在双摇杆机构中，若两摇杆长度相等，则形成等腰梯形机构。

（如图812所示）2、平面四杆机构的演化型式改变构件的形状和运动尺寸如图8-13（a）演化为如图8-13a）吴海涛机械原理讲义50铰链四杆机构演化为：

偏置曲柄滑块机构（图8-14a）对心曲柄滑块机构（图8-14b）演化为双滑块四杆机构（图8-15a）图8-15b）为正玄机构sinABlS=改变运动副尺寸如图8-16偏心轮机构用不同的构件作机架（如图8-17）例：

曲柄滑块机构转换机架：

a导杆机构（AB为机架）回转导杆机构（图8-17b），应用见（图8-18）摆动导杆机构，应用见（图8-19）牛头刨b曲柄摇